基于現場監測的暗挖隧道施工力學特性研究

丁垠博

摘要：為研究暗挖隧道施工時的力學特性，依托看丹站至榆樹莊站區間地鐵項目，通過現場監測，對礦山法暗挖施工時導洞收斂變形、地表沉降變形、圍巖壓力、鋼筋應力以及孔隙水壓力等進行了分析。研究結果表明：地表沉降變化趨勢呈現出明顯的階段性。導洞施工期間產生的沉降約占總沉降的70%左右。導洞收斂最大值約為9.8mm，滿足規范規定的位移控制值和最大變形收斂速率要求。在實際工程中，應遵循“短進尺、早封閉”的施工方針，以有效避免圍巖壓力突變的發生。

關鍵詞：力學特性；暗挖隧道；現場監測；圍巖壓力

0? ?引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，地鐵隧道工程越來越多。近年來，為了確保工程的施工質量，相關技術人員針對隧道力學特性進行了多項研究。

李義華等[1]依托鄭州地鐵3號線項目，對管幕結合CRD法施工的地表變形規律進行了研究，建議地層加固施工時注漿不應超過6%。劉石等[2]以長春市軌道交通5號線人民廣場站項目為例，對一次扣拱暗挖法隧道開挖步序進行了優化，并基于高斯函數建立了地表沉降預測模型，對地表沉降進行了預測。周希圣等[3]結合實際工程項目，通過數值模擬手段，對軟土地區地下束合管幕暗挖施工對地表沉降的影響進行了對比分析。楊鳳梅、葉至盛[4]基于成都地鐵19號線天府商務區站項目，通過有限元方法建立了地層-車站結構數值模型，仿真模擬了開挖施工階段和運營階段上部既有車站的受力情況。高瑋等[5]提出一種通用于礦山法隧道的BIM建模方法，該方法符合工程管理與項目管理的要求，且建模效率更高，更能反映真實工程情況。蔣霞[6]以某地鐵工程為研究對象，通過現場監測等手段，對礦山法施工過程中地表沉降規律進行了研究。

為了進一步研究暗挖隧道施工時的力學特性，本文依托看丹站-榆樹莊站區間地鐵項目，通過現場監測，對礦山法暗挖施工過程中的導洞收斂變形、地表沉降變形、圍巖壓力和鋼筋應力等進行了研究。

1? ?工程概況

本文依托看丹站-榆樹莊站區間地鐵項目，該項目主要施工方法為礦山法施工，含臨時仰拱，分上下兩個導洞挖土、格柵架立、網噴成環。其中，左線區間的二襯結構凈高為5.6m，凈寬度5.3m。右線區間二襯結構凈凈高為6.0m，寬度為5.5m。初支結構厚度0.35m，二襯結構厚度0.5m。設臨時仰拱一道，臨時仰拱厚度為0.3m，區間浮土厚度為7.2～7.7m。

暗挖段施工時，采用Φ25×2.75mm焊接鋼管作為超前小導管，對拱部地層補充注漿。結構基底設置承載樁，礦山法區間穿越地層主要為黏土層，富水性較高。

2? ?現場監測方案

以收集的現場施工和第三方監測數據為基礎，安裝土壓力盒、孔隙水壓力和鋼筋應力傳感器于隧道斷面上。將地表沉降觀測點于導洞中心線的地表投影點，每隔10m布設一次變形監測點。隧道斷面監測點布置情況如圖1所示。

3? ?監測分析

上下兩個導洞的礦山法暗挖施工進度情況如圖2所示。觀察圖2可以發現，導洞的施工順序為先挖上導洞，然后再進行下導洞的開挖，掌子面距離約為30m。

3.1? ?沉降變形

3.1.1? ?隧道中線地表沉降

圖3展示了隨著開挖施工的進行隧道中線地表沉降的變化情況。從圖3可以看出，在進行施工開挖前，地表已出現約10mm沉降。地表沉降變化趨勢呈現出明顯的階段性。在上下導洞施工前后地表沉降相對較為穩定，上下導洞施工期間，沉降大幅度增加，且變形速率加快。導洞施工期間產生的沉降約占總沉降的70%左右。

由于地層具有較強的富水性，地質條件較為復雜，采用了管井降水與洞內降水的措施，導致最終的沉降值較大，約為78mm。

3.1.2? ?導洞收斂變化情況

圖4展示了隨開挖施工導洞收斂的變化情況。觀察圖4可以發現，導洞收斂變化曲線與地表沉降曲線較為類似，表現出了明顯的階段性。具體可分為4個階段，分別為較快下降階段、快速下降階段、緩慢下降階段以及穩定階段。導洞收斂最大值約為9.8mm，滿足規范規定的位移控制值和最大變形收斂速率要求。

3.2? ?孔隙水壓力

圖5展示了拱底孔隙水壓力變化情況。從圖5可以看出，在通過洞內真空泵降水階段，孔隙水壓力初期為負值，表明監測點處的傳感器埋置深度要高于地下水位。后基本為正值，表現相對穩定，無大幅度上升或下降，僅存在小范圍的波動，約為5kPa大小。

而在地面管井降水階段，孔隙水壓力變化曲線大致可以分為兩部分：一部分是地面管井降水階段初期，孔隙水壓力較為穩定，基本為負值，第二部分數值較大，整體亦出現小范圍波動，由第一部分突變而來。

3.3? ?圍巖壓力

3.3.1? ?上部監測點圍巖壓力

圖6展示了上部監測點圍巖壓力隨開挖施工的變化情況。觀察圖6可以發現，各監測點在傳感器布置初期圍巖壓力波動較大，這主要是由于采用上下臺階法施工導致的。

隨著施工的進行，圍巖壓力逐漸穩定，變化速率也保持在正常水平。對比各監測點，拱腰圍巖壓力最大，峰值達到了82kPa；其次為拱肩位置處，圍巖壓力峰值達到了39kPa；圍巖壓力峰值最小的為拱頂位置處，由于深度較淺，圍巖壓力波動和增長速率均保持在較低的水平，呈現單調緩慢增加的趨勢，峰值為28kPa。

左拱肩位置處圍巖壓力變化最為劇烈，這是由于隨著下臺階的開挖，上臺階處于脫空狀態，圍巖壓力減小。而上導洞初支封閉完成后，圍巖壓力進行了釋放，因此數值又出現了增大。下導洞開挖時也發生了類似情景。因此，在實際工程中，應遵循“短進尺、早封閉”的施工方針，以有效避免類似圍巖壓力突變的發生。

3.3.2? ?下部的拱腳監測點圍巖壓力

圖7展示了下部的拱腳監測點圍巖壓力隨開挖施工的變化情況。從圖7中可以看出，監測點7和監測點9的圍巖壓力變化曲線差異較大。在監測點7位置處，圍巖壓力除了在開始階段有波動外，基本呈現單調增加的趨勢，變化速率除了停工階段外基本保持一致。

而監測點9的圍巖壓力隨著開挖施工的進行，出現先增加后保持穩定、最后減小的變化趨勢。造成這種現象也是由于導洞的施工，對監測點9造成了顯著的影響，導致其圍巖壓力出現大幅度變動。

3.4? ?鋼筋應力

3.4.1? ?上部監測點鋼筋應力

圖8展示了上部監測點鋼筋應力隨開挖施工的變化情況。從圖8中可以看出，拱頂處的鋼筋應力整體較為穩定，除了小范圍突變外，均保持在80MPa左右。而拱肩和拱腰處的鋼筋應力則單調下降。與圍巖壓力相比，兩者分布形式基本一致。

拱頂處鋼筋應力基本為正應力，鋼筋受拉。而拱肩處的鋼筋應力在前期為正應力，后隨著施工的進行，鋼筋受力形態發生變化，逐漸向負應力過度。而拱腰處的鋼筋應力則均為負應力，鋼筋受壓。

3.4.2? ?拱腳監測點鋼筋應力

圖9展示了拱腳監測點鋼筋應力隨開挖施工的變化情況。從圖9可以看出，監測點7和監測點9的拱腳鋼筋應力變化趨勢基本一致，數值方面監測點7的鋼筋應力略大于監測點9。與上部監測點相比，拱腳處的鋼筋應力均為負應力，鋼筋應力峰值最大的為監測點3拱腰位置處，接近200MPa。

4? ?結束語

本文依托看丹站-榆樹莊站區間地鐵項目，通過現場監測，對礦山法暗挖施工時地表沉降變形、導洞收斂變形、孔隙水壓力、圍巖壓力和鋼筋應力等進行了分析。得出主要結論如下：

地表沉降變化趨勢呈現出明顯的階段性。在上下導洞施工前后地表沉降相對較為穩定，上下導洞施工期間，沉降大幅度增加，且變形速率加快。導洞施工期間產生的沉降約占總沉降的70%左右。

導洞收斂變形可分為較快下降階段、快速下降階段、緩慢下降階段以及穩定階段4個階段。導洞收斂最大值約為9.8mm，滿足規范規定的位移控制值和最大變形收斂速率要求。

隨著下臺階的開挖，上臺階處于脫空狀態，圍巖壓力減小，上導洞初支封閉完成后，圍巖壓力進行了釋放，圍巖壓力波動較大。因此，在實際工程中，應遵循“短進尺、早封閉”的施工方針，以有效避免類似圍巖壓力突變的發生。

參考文獻

[1] 李博平，武軍，張笈瑋，等.考慮未支護段的礦山法隧道開挖面穩定性研究[J].施工技術，2018，47（10）：105-108.

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[2] 劉石，姜巍，宮亞峰，等.一次扣拱暗挖法隧道開挖步序優化與地表沉降預測[J].現代隧道技術，2022，59（S2）：44-53.

[3] 周希圣，李治，陳建琴，等.軟土地區地下束合管幕暗挖施工對地表沉降的影響比選分析[J].隧道與軌道交通，2022（3）：25-28+57.

[4] 楊鳳梅，葉至盛.成都地鐵19號線天府商務區站矩形斷面礦山法零距離下穿既有車站施工方案[J].城市軌道交通研究，2022，25（12）：171-176.

[5] 高瑋，汪義偉，葛雙雙，等.礦山法隧道BIM建模技術研究[J].地下空間與工程學報，2022，18（4）：1305-1316.

[6] 蔣霞.礦山法地鐵隧道施工地表沉降規律研究[J].福建建材，2022（1）：55-57+115.